SISTEMA DE TIERRA PARA PLANTAS Y SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
ESPECIFICACIÓN
CFE 01J00-01
DICIEMBRE 2016
REVISA Y SUSTITUYE A LA
EDICIÓN DE DICIEMBRE 2015
MÉXICO
SISTEMA DE TIERRA PARA PLANTAS Y SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
ESPECIFICACIÓN
CFE 01J00-01
CONTENIDO
1
OBJETIVO _________________________________________________________________________ 1
2
CAMPO DE APLICACIÓN _____________________________________________________________ 1
3
NORMAS QUE APLICAN ______________________________________________________________ 1
4
DEFINICIONES _____________________________________________________________________ 1
4.1
Alta Tensión ________________________________________________________________________ 1
4.2
Aterrizamiento _______________________________________________________________________ 1
4.3
Conductor de Puesta a Tierra __________________________________________________________ 1
4.4
Conductor de Puesta a Tierra de los Equipos ______________________________________________ 1
4.5
Corriente a Tierra ____________________________________________________________________ 1
4.6
Electrodo Artificial ____________________________________________________________________ 1
4.7
Electrodo Auxiliar para Tierra ___________________________________________________________ 2
4.8
Electrodo para Tierra _________________________________________________________________ 2
4.9
Electrodo Primario para Tierras _________________________________________________________ 2
4.10
Elevación del Potencial de Tierra (GPR) __________________________________________________ 2
4.11
Media Tensión ______________________________________________________________________ 2
4.12
Rejilla de Aterrizamiento _______________________________________________________________ 2
4.13
Resistencia Eléctrica del Cuerpo Humano _________________________________________________ 2
4.14
Sistema de Tierras ___________________________________________________________________ 2
4.15
Tapete para Tierras __________________________________________________________________ 2
4.16
Tensión de Contacto (Vc) ______________________________________________________________ 3
4.17
Tensión de Paso (Vp) _________________________________________________________________ 3
4.18
Tensión de Malla (Vm) ________________________________________________________________ 3
4.19
Tensión Transferido __________________________________________________________________ 3
4.20
Tierra _____________________________________________________________________________ 3
5
CARÁCTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES _______________________________________ 3
5.1
Diseño del Sistema de Tierras __________________________________________________________ 3
5.1.1
Generalidades diseño del sistema de tierras _______________________________________________ 3
5.2
Medición de la Resistividad del Terreno___________________________________________________ 4
5.3
Procedimiento de Diseño ______________________________________________________________ 4
5.3.1
Cálculo de la sección transversal del conductor de la malla de tierra ____________________________ 5
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ESPECIFICACIÓN
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5.3.2
Cálculo de la tensión de paso y tensión de contacto máximas permisibles por el cuerpo humano _____ 7
5.3.3
Recomendaciones generales __________________________________________________________ 15
6
CONDICIONES DE OPERACIÓN ______________________________________________________ 16
6.2
Malla de Tierra de la Subestación ______________________________________________________ 16
6.2.1
Disposición física ___________________________________________________________________ 16
6.3
Bajada de Puesta a Tierra para Equipos _________________________________________________ 18
6.3.1
Protección contra vandalismo _________________________________________________________ 19
6.4
Sistema de Tierra del Cuarto de Control _________________________________________________ 19
6.5
Sistema de Tierra de Pararrayos _______________________________________________________ 20
6.6
Puesta a Tierra de Cercas Metálicas ____________________________________________________ 20
6.8
Recepción y Puesta en Servicio del Sistema de Tierra ______________________________________ 20
6.9
Mantenimiento del Sistema de Tierra ____________________________________________________ 21
7
CONDICIONES DE DESARROLLO SUSTENTABLE _______________________________________ 22
8
CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL ___________________________________________ 22
9
CONTROL DE CALIDAD _____________________________________________________________ 22
9.1
Métodos de Prueba y Equipos de Medición _______________________________________________ 22
9.1.1
Método de wenner o de los cuatro electrodos para la medición de resistividad del terreno () _______ 22
9.1.2
Método de caída de potencial para medición de resistencia óhmica en un sistema de tierras ________ 26
9.1.3
Método de integridad física de la red de tierra. ____________________________________________ 29
10
BIBLIOGRAFÍA _____________________________________________________________________ 31
TABLA 1 - Constantes de Materiales _______________________________________________________________ 32
TABLA 2 - Valores Típicos de Factor de Decremento Df ________________________________________________ 32
TABLA 3 – Formato para la Medición de la Resistividad ________________________________________________ 33
TABLA 4 - Resultados de la Medición de la Resistencia de la Malla de Tierras ______________________________ 33
APÉNDICE A 35
APENDICE B 38
FLUJOGRAMA DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO __________________________________________________ 38
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ESPECIFICACIÓN
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1
OBJETIVO
Proporcionar los criterios y requerimientos, para el diseño, construcción y mantenimiento del sistema de tierra en
plantas y subestaciones eléctricas de corriente alterna y establecer las bases para que la instalación guarde las
condiciones de seguridad para el personal y su infraestructura.
2
CAMPO DE APLICACIÓN
Aplica a plantas y subestaciones de corriente alterna (subestaciones de plantas generadoras, de transmisión y de
distribución) convencionales o aisladas en gas SF6.
3
NORMAS QUE APLICAN
NOM-008-SCFI-2002
Sistema General de Unidades de Medida.
NOM-022-STPS-2008
Electricidad estática en los centros de trabajo-Condiciones de
seguridad.
NOTA:
En caso de que los documentos anteriores sean revisados o modificados debe utilizarse la edición vigente en la fecha de
publicación de la convocatoria al concurso abierto, salvo que la CFE indique otra cosa.
4
DEFINICIONES
4.1
Alta Tensión
4.2
a)
Nivel Subtransmisión.- valores de tensión eléctrica mayores a (13.8 kV) 35 kV y menores a 230 kV.
b)
Nivel Transmisión.- valores de tensión eléctrica mayores o iguales a 230 kV.
Aterrizamiento
Sistema, circuitos o aparatos previstos con una conexión a tierra con el propósito de establecer un circuito de retorno
por el suelo y para mantener su potencial al potencial del suelo
4.3
Conductor de Puesta a Tierra
Conductor utilizado para conectar una estructura metálica, un equipo o el circuito puesto a tierra (que puede ser el
neutro de un transformador o de un generador) al electrodo o red de tierra.
4.4
Conductor de Puesta a Tierra de los Equipos
Conductor utilizado para conectar las partes metálicas no conductoras de corriente eléctrica de los equipos,
canalizaciones y otras envolventes, al conductor del sistema puesto a tierra, al conductor del electrodo de puesta a
tierra o a ambos.
4.5
Corriente a Tierra
Corriente que fluye al sistema de tierra a través de un conductor eléctrico la cual es producida por una falla en el
circuito eléctrico o por una descarga atmosférica.
4.6
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Electrodo Artificial
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Cuerpo metálico conductor de fabricación especial que puede contener componentes químicos.
4.7
Electrodo Auxiliar para Tierra
Elemento conductor cuya función primaria es conducir la corriente de falla a tierra, hacia el suelo.
4.8
Electrodo para Tierra
Conductor embebido en el suelo y utilizado para colectar la corriente a tierra o para disipar la corriente de tierra hacia
el suelo.
4.9
Electrodo Primario para Tierras
Electrodo específicamente diseñado o adaptado, para descargar las corrientes de falla a tierra, hacia el suelo,
frecuentemente en patrones de descarga específicas según requiera el diseño del sistema de tierras.
4.10
Elevación del Potencial de Tierra (GPR)
Es el potencial eléctrico máximo que una malla de tierra de una subestación puede alcanzar con relación a un punto
de tierra distante, asumiendo que esté al potencial de la tierra remota. Este potencial GRP es igual a la corriente
máxima de red multiplicada por la resistencia de la malla.
4.11
Media Tensión
Valores de tensión eléctrica mayores a 1 kV e iguales o menores a 35 kV.
4.12
Rejilla de Aterrizamiento
Sistema de electrodos horizontales de tierra, que consiste de un número de conductores desnudos interconectados,
enterrados en el suelo, proporcionando una tierra común para los dispositivos eléctricos o estructuras metálicas,
usualmente ubicados en un lugar específico.
NOTA:
Las rejillas enterradas horizontalmente cerca de la superficie del suelo, son también efectivas para controlar los gradientes
de potencial superficial. Una rejilla típica, usualmente se complementa con un número de varillas de tierra y pueden ser
conectadas posteriormente a los electrodos auxiliares de tierra a fin de bajar su resistencia con respecto a la tierra remota,
conservando el mismo material u otro de mejor calidad.
4.13
Resistencia Eléctrica del Cuerpo Humano
Es la resistencia eléctrica medida entre extremidades, esto es, entre una mano y ambos pies, entre ambos pies o
entre ambas manos.
4.14
Sistema de Tierras
Comprende a todos los dispositivos de tierra interconectados dentro de un área específica.
4.15
Tapete para Tierras
Placa metálica sólida o un sistema de conductores desnudos separados a poca distancia, conectados. Y
frecuentemente colocados a poca profundidad por encima de la rejilla del sistema de tierras o en otra parte en la
superficie del suelo, con el propósito de obtener una medida de protección extra para minimizar el peligro de
exposición a altos voltajes de paso o de contacto en un área de operación crítica o en lugares utilizados
frecuentemente por la gente. Enrejados metálicos de tierra, colocado arriba de la superficie del suelo o una malla de
conductores directamente bajo el material superficial.
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4.16
Tensión de Contacto (Vc)
Es la diferencia de potencial entre la elevación del potencial de tierra (GPR) y el potencial superficial en el punto en
donde una persona esta parada mientras al mismo tiempo tiene una mano en contacto con una estructura metálica no
aterrizada.
4.17
Tensión de Paso (Vp)
Es la diferencia de potencial superficial que puede experimentar una persona con los pies separados a 1 m de
distancia y sin hacer contacto con algún objeto aterrizado.
4.18
Tensión de Malla (Vm)
Es la máxima tensión de contacto dentro de una malla de tierras.
4.19
Tensión Transferido
Es un caso especial del voltaje de contacto en donde un voltaje es transferido hacia el interior o la parte de afuera de
la subestación desde un punto externo remoto.
4.20
Tierra
Conexión conductora, ya sea intencional o accidental, por la cual un circuito eléctrico o equipo está conectado al suelo
o algún cuerpo conductor de gran extensión y que sirve en lugar del suelo.
5
CARÁCTERÍSTICAS Y CONDICIONES GENERALES
5.1
Diseño del Sistema de Tierras
Las unidades de medida utilizadas en esta especificación son las contenidas en la norma NOM-008-SCFI.
5.1.1
Generalidades diseño del sistema de tierras
Las plantas y subestaciones deben tener un adecuado sistema de tierra al cual se conectan todos los elementos de la
instalación que requieran ser puestos a tierra para:
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a)
Proveer un medio seguro para proteger al personal que se encuentre en la proximidad del sistema
de tierras o de los equipos conectados a tierra de los peligros de una descarga eléctrica debida a
condiciones de falla o por descarga atmosférica.
b)
Proporcionar un circuito de muy baja impedancia para la circulación de las corrientes a tierra, ya
sean debidas a una falla a tierra del sistema, o a la propia operación de algunos equipos.
c)
Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas indeseables a tierra, sin que se excedan los
límites de operación de los equipos
d)
Facilitar la operación de los dispositivos de protección adecuados para la eliminación de fallas a
tierra.
e)
Proveer un medio de descarga y desenergización de equipos, antes de proceder a las tareas de
mantenimiento.
f)
Dar mayor confiabilidad y seguridad al servicio eléctrico.
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Los elementos principales del sistema de tierra son:
a)
Red o malla de conductores enterrados, a una profundidad que usualmente varía de (0.3 a 0.8) m,
sin ser esto limitativo puesto que depende del tipo de terreno.
b)
Electrodos tipo varillas que pueden ser de diferente diámetro conectados a la malla de conductores
e instalados verticalmente en el terreno, enterrados a una profundidad que considere la capa de
menor resistividad, se recomienda al menos una varilla en cada esquina de la malla de tierra. La
definición de las fórmulas de cálculo especificadas en esta norma, no considera electrodos
artificiales.
c)
Conductores de puesta a tierra, a través de los cuales se hace la conexión a tierra de las partes de
la instalación y del equipo, que deban ser puestos a tierra incluyendo estructuras metálicas. Las
características de estos conductores no se establecen en esta especificación.
d)
Conectores apropiados que pueden ser soldables, mecánicos y a compresión. De tal forma que la
temperatura de fusión en la unión no sea menor a la temperatura de fusión del conductor que se
conecte y que la unión no se deteriore por el medio ambiente en que se instale o falta de
mantenimiento de estos.
Considerar como prioridad la aplicación de soldadura exotérmica para unión cable - cable y
conexiones a equipo, en caso de no ser posible y realizar conexiones mecánicas o de compresión,
utilizar sistemas de protección anticorrosiva en la zona de la unión para incrementar el tiempo de
vida útil del sistema.
Se debe verificar que la corriente de fusión de los materiales seleccionados no sea menor a la corriente de corto
circuito de la zona donde se instalara la red o malla
5.2
Medición de la Resistividad del Terreno
Se deben llevar a cabo las mediciones de la resistividad del terreno en el área donde se instalara la malla de tierra,
determinando la resistividad de la o las capas de terreno que deban aplicarse en los cálculos de la malla de tierra.
Este estudio debe llevarse a cabo en la época del año de menor humedad del terreno, debiéndose considerar el
procedimiento descrito en el inciso 9.1.1.
Se deben realizar dos mediciones: una de resistividad cuyos resultados permitirán establecer el diseño de la red de
tierras. Y otra medición de resistencia posterior a la construcción del sistema de tierras a fin de verificar si se cumplió
con los parámetros de diseño esperados.
5.3
Procedimiento de Diseño
El diagrama de bloques mostrado en el anexo el cual ilustra la secuencia de los pasos a seguir para desarrollar el
diseño de la malla de tierras. A continuación, se desarrolla cada paso del procedimiento.
Paso 1:
Se debe de tener un plano de arreglo general de la subestación para determinar el área que debe ser aterrizada.
Obtener los valores de la resistividad del terreno, con base al procedimiento descrito en el inciso 9.1.1, para
determinar el perfil de resistividad del modelo de suelo necesario (homogéneo o de dos capas).
Para iniciar el diseño del sistema de tierra no debe considerarse el mejoramiento del terreno con sustancias químicas,
sino que éste sea el último recurso para mejorar los valores de resistividad en caso de requerirse.
Paso 2:
Determinar la sección transversal del conductor, la corriente de falla 3Io (Tres veces la corriente de falla de secuencia
cero) debe ser la máxima corriente futura de falla esperada que puede ser conducida por cualquier conductor del
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sistema de tierra, y el tiempo tc deber ser el tiempo máximo de liberación de la falla, incluyendo el tiempo de la
protección de respaldo.
Para calcular la sección transversal del conductor se debe considerar la corriente de falla de fase a tierra o bifásica a
tierra la que resulte más severa. Ya que la corriente de falla 3Io debe ser la máxima corriente futura.
5.3.1
Cálculo de la sección transversal del conductor de la malla de tierra
Para calcular la sección transversal del conductor se debe tener el valor de la corriente máxima de falla a tierra que
puede estar presente en el punto de la subestación conocida la capacidad y las constantes características de cada
material (véase tabla 1) y se aplican en las siguientes ecuaciones:
1
----------------------------------------------4
TCAP.10
Ko+Tm
1/2
((-----------------)ln (------------))
tcrr
Ko+Ta
2
Amm = I x
AKcmil = I x
197.4
---------------------------------------------TCAP
Ko+Tm
1/2
((-----------------)ln (------------))
tcrr
Ko+Ta
Dónde:
2
A = Sección transversal del conductor en mm . También kcmil.
I
= Corriente rms en kA (debe de considerarse el incremento de este valor a futuro).
Tm = Temperatura máxima permisible en  C.
Ta = Temperatura ambiente en  C.
Tr = Temperatura de referencia para las constantes del material en  C.
o = Coeficiente térmico de resistividad a  C.
r = Coeficiente térmico de resistividad a la temperatura de referencia Tr.
r = Resistividad del conductor de tierra a la temperatura de referencia Tr en uU-cm.
tc = Tiempo de duración de la corriente en segundos.
TCAP = Factor de capacidad térmica por unidad de volumen (véase tabla 1) en J/cm /  C.
3
Kf = 1/oo 1/r-Tr en  C.
Determinación de la Corriente máxima de malla IG
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La corriente simétrica de malla es una parte de la corriente simétrica de falla a tierra que fluye de la malla de tierras
hacia el terreno que la rodea, se determina con la siguiente fórmula:
Ig  S f *I f
I f  3I 0
 Sf 
Ig
3I 0
Dónde:
Ig = Corriente simétrica de malla en A.
If = Corriente simétrica de falla a tierra en A (valor rms y debe considerarse el incremento futuro de este valor).
Sf = Factor de división de corriente que relaciona la magnitud de la corriente de falla con la parte de esta corriente
que fluye de la malla hacia el terreno.
I0 = Corriente de secuencia cero en A.
La corriente que puede circular en una malla de tierras en casos de falla, se conoce como “corriente máxima de
malla”, la cual se determina con la fórmula siguiente:
IG  Df * I g
Df= (1+ Ta/tf (1-e
–2tf/Ta
))
1/2
En donde:
IG
= Corriente máxima de malla en A.
Ig
= Corriente simétrica de malla (valor rms) en A.
Df
= Factor de decremento para el tiempo de duración de la falla (t c), que está en función del valor de la relación
de reactancia (X) y de resistencia (R) en el punto de falla, véase tabla 2. Si el tiempo de duración de la
corriente es mayor o igual a 1 s o la relación X/R en el punto de localización de la falla es menor que 5, el
factor de decremento puede despreciarse, es decir Df = 1.
Tf
= Duración de la falla en segundos.
Ta
= Constante de tiempo subtransitoria en seg.
X”
Ta = -----WR
Se presenta la siguiente tabla de Df para diferentes valores de X”/R.
La selección de Tf debe reflejar un tiempo rápido de liberación de falla en subestaciones de transmisión y tiempos de
liberación de falla lentos para subestaciones de distribución. Valores típicos de Tf
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Se recomiendan entre 0.25 s a 1.0 s, un valor usual es 0.5 s.
Paso 3:
Determinar las tensiones de paso y de contacto máximas permisibles por el cuerpo humano. El tiempo de exposición
de la falla debe ser el máximo tiempo hasta que la falla se libere, normalmente el valor se encuentra en el intervalo de
0.1 s a 1.0 s.
La corriente de no-fibrilación de magnitud IB está relacionada con la energía absorbida por el cuerpo y descrita con la
fórmula siguiente:
5.3.2
Cálculo de la tensión de paso y tensión de contacto máximas permisibles por el cuerpo humano
Las fórmulas para calcular la tensión de paso y la tensión de contacto máximas permisibles por el cuerpo humano
para personas con peso aproximado de 50 kg son las siguientes:
(
)
(
(volts)
√
)
√
(volts)
Para calcular las tensiones correspondientes a personas con un peso aproximado a 70 kg, se utilizan las mismas
fórmulas con la salvedad de cambiar la constante 0.116 por 0.157. El cálculo debe considerar el peso de 50 kg, por
dar resultados más conservadores.
Fórmula para determinar el factor de reducción (C s) debido a la corrección realizada por la adición de la capa
superficial con resistividad s:
(
)
Dónde:

= Resistividad del suelo en m.
Paso 4:
El diseño preliminar debe incluir una cuadricula la cual debe estar formada por conductores que permitirán el acceso
al aterrizamiento de los equipos y estructuras, evitando en lo posible atravesar las cimentaciones de los equipos con
el fin de facilitar el mantenimiento. La separación inicial estimada de los conductores, así como la ubicación de los
electrodos (varillas) de tierra, deben tener como base la corriente IG y el área de la subestación que debe ser
aterrizada.
Se sugiere que la separación inicial de acuerdo a los niveles de tensión del sistema (en caso de no contar con
programas de cálculo de red de tierras) sea la siguiente:
a)
Para subestaciones convencionales nuevas con tensión de 115 kV en el lado de alta tensión:
-
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La cuadrícula de las mallas que forman la red de tierras debe ser de 8 m x 8 m, en toda el
área del terreno y de acuerdo al criterio adoptado para el aterrizamiento de la cerca.
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b)
Para subestaciones convencionales nuevas con tensiones de 230 kV y 400 kV en el lado de alta
tensión:
-
La cuadrícula de las mallas que forman la red de tierras debe ser de 10 m x 10 m, en toda el
área del terreno y de acuerdo al criterio adoptado para el aterrizamiento de la cerca.
En un sistema de rejillas típico de una subestación, el espaciamiento entre conductores puede estar entre 3 m y 7 m.
En la proposición inicial de la configuración de la malla se pueden considerar arreglos de mallas de subestaciones y
terrenos similares existentes, la longitud total de conductor, el arreglo de la malla, así como la cantidad de varillas de
tierra se verifican y en su caso se deben modificar, en función de los resultados de los cálculos de la resistencia
eléctrica máxima y de las tensiones seguras de paso y de contacto.
Para el diseño de la malla se considera únicamente conductor enterrado con o sin varillas de tierra.
En el diseño inicial debe considerarse el colocar varillas de tierra en los extremos de la rejilla y en los puntos de unión
en el perímetro.
Se deben también colocar varillas de tierra en equipos como apartarrayos, interruptores y transformadores de
potencia, interconectados a la red de tierra general.
En suelos con alta resistividad, es conveniente utilizar varillas largas instaladas en los puntos de unión de la rejilla,
enterrados a la profundidad de la capa de menor resistividad.
Deben emplearse dos conexiones a tierra en diferentes puntos de la rejilla en donde puedan ocurrir altas
concentraciones de corriente, como en la conexión del neutro de tierra de los generadores y transformadores, bancos
de capacitores, interruptores y apartarrayos.
Paso 5:
La estimación de la resistencia de tierra preliminar en el sistema de tierras, debe proveer valores muy bajos.
a)
Para subestaciones de potencia en alta tensión a nivel de Transmisión y de Subtransmisión, el
valor de la resistencia de la malla de tierra debe ser alrededor de 1 Ω o menor.
b)
Para subestaciones de potencia de media tensión, el valor de la resistencia de tierra debe ser entre
1 Ω a 4 Ω.
c)
Para subestaciones de distribución de media tensión, el valor de la resistencia de tierra debe ser
como máximo de 5 Ω.
El valor de la resistencia de tierra puede estimarse mediante las fórmulas siguientes:
a)
Para profundidades de la red menores de 0.25 m.
Rg = Resistencia de la tierra en ohms.
 = Resistividad promedio del suelo en -m.
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2
A = Área ocupada por la rejilla de tierras en m .
L = Longitud total de los conductores enterrados en m.
b)
Para profundidades entre 0.25 m y 2.5 m se requiere una corrección por profundidad.
(
(
))
Dónde:
h = profundidad de la rejilla (retícula) en metros.
c)
Considerando la rejilla con varillas de tierra. Es decir, el sistema de tierras consta de: conductores
horizontales (rejilla) y electrodos (varillas) verticales.
R1 = Resistencia de los conductores de la rejilla (malla).
R2 = Resistencia de todas las varillas de tierra.
R12 = Resistencia mutua entre el grupo de conductores y el grupo de varillas.
Dónde:
R1 = (1/l1)(ln(2l1/h’)+ k1(l1/ A)-k2).
2
R2 = (a/2nl2)(ln(8l2/d2)-1+2k1(l2/ A)( n-1) ).
R12 = (a/l1)(ln(2l1/l2)+k1(l1/ A )-k2+1).
Dónde:
1 = Resistividad del terreno con los conductores a una profundidad h, hacia abajo en -m.
a = Resistividad aparente del terreno vista por la varilla de tierra, en -m.
H = Espesor de la primera capa del terreno en m.
2 = Resistividad del terreno desde la profundidad H, hacia abajo en -m.
l1 = Longitud total de los conductores de la rejilla en m.
l2 = Longitud promedio de la varilla de tierra en m.
h = Profundidad de la rejilla en m.
h’ = Coeficiente de la profundidad de la rejilla.
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h’ = d1h
Para conductores enterrados a la profundidad h.
h’ = 0.5d1 Para conductores enterrados en h = 0 (en la superficie).
A = Área cubierta por la red con dimensiones axb en metros.
n = Número de varillas de tierras localizadas en el área A.
k1,k2 = Constantes relacionadas con la geometría del sistema (véanse gráficas).
d1 = diámetro del conductor de la red en m.
d2 = diámetro de las varillas de tierra en m.
a = ancho de la rejilla en m.
b = largo de la rejilla en m.
FIGURA 1 – Coeficiente k1 de la fórmula de Schwarz
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Las ecuaciones anteriores son válidas para suelos de dos capas, una superior de espesor H con un cierto valor de
resistividad y por donde penetran las varillas. Y una inferior de más baja resistividad con la cual las varillas quedan en
contacto.
En este caso para 12, la malla se localiza en la capa de resistividad 1, pero las varillas están en contacto tanto con
la capa de resistividad 1, como con la capa de resistividad 2, por lo que R2 y R12 se calculan con una resistividad
aparente a vistas por las varillas de tierra:
a = l2(12)/(2(H-h)+1(l2+h-H)
Para suelos con resistividad uniforme:
1 = 2
Si la diferencia entre 1 y 2 no es muy grande, de preferencia 2 no menor que 0.21, y el espesor de la capa superior
H es al menos 0.1 b, las ecuaciones anteriores son bastante exactas para la mayoría de los cálculos y además fáciles
de aplicar.
El análisis computacional basado en el modelado de las componentes del sistema de tierra en detalle, permite calcular
la resistencia con un alto grado de exactitud asumiendo que el modelo del suelo se selecciona correctamente.
Paso 6:
Determinar la corriente máxima de malla IG. A fin de evitar un sobredimensionamiento del sistema de tierra, para el
diseño de la rejilla se utiliza únicamente la porción de la corriente de falla 3Io que fluye a través de la malla a la tierra
remota. Sin embargo, la corriente máxima de malla IG debe considerar la peor localización y tipo de falla, el factor de
decremento y cualquier expansión futura del sistema.
El cálculo de la corriente de malla IG se indica en el paso 2.
Paso 7:
Determinar la elevación del potencial de tierra (GPR), mediante la fórmula siguiente:
GPR = IG x Rg
Si el valor de la máxima elevación del potencial de tierra en el diseño preliminar se encuentra por debajo de la tensión
de contacto tolerable por el cuerpo humano, ya no es necesario análisis alguno. Únicamente se requieren conductores
adicionales para la puesta a tierra de los equipos.
Paso 8:
Calcular las tensiones de paso y de malla para el sistema de tierra propuesto.
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Rev
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ESPECIFICACIÓN
CFE 01J00-01
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FIGURA 2 – Coeficiente k2 de la fórmula de Schwarz
Cálculo de la Tensión de Malla
La fórmula para calcular la tensión de malla es la siguiente:
Dónde:
 = Resistividad del terreno en m.
Km = Factor geométrico.
Ki = Factor de irregularidad.
Ig/Lm = Relación de la corriente promedio por unidad de longitud de conductor efectivamente enterrado en el sistema
de tierras.
Fórmula para calcular Km:
Km 
1
2
  D2
D  2h 2  h   Kii Ln 8 

 Ln

8Dd
4d  Kh  2n  1
  16hd
Dónde:
D = Espaciamiento entre conductores paralelos en metros.
h = Profundidad de los conductores en la rejilla de tierra en metros.
d = Diámetro del conductor de la rejilla en metros.
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ESPECIFICACIÓN
CFE 01J00-01
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Kh = Factor de corrección relacionado con la profundidad de la malla.
n = Número de conductores equivalentes en cualquier dirección.
Cálculo de Kii:
Kii  1 Para mallas con varillas para tierra a lo largo de su perímetro y/o en las esquinas, así como para mallas con
varillas a lo largo del perímetro y dentro del área de la malla.
Kii 
1
2
( 2n) n
Cálculo de Kh:
Kh  1 
h
ho
Dónde:
h = Profundidad a la cual está enterrada la malla de tierra dada en metros.
ho = Profundidad de referencia y es igual a 1 metro.
Cálculo de n:
n  na * nb * nc * nd
na 
2 * LC
LP
Para mallas cuadradas, rectangulares y
en forma de L
Dónde:
Lp = Longitud de conductores en la periferia de la rejilla, dada en metros.
LC = Longitud total de los conductores en la rejilla horizontal en metros.
Lr = Longitud de una sola varilla de tierra en metros.
LR = Longitud total de las varillas enterradas en la malla dada en metros.
LX = Longitud máxima de la rejilla en la dirección x dada en metros.
LY = Longitud máxima de la rejilla en la dirección y dada en metros.
nb  1 Para mallas cuadradas.
Para cualquier otro caso.
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LP
nb 
4* A
Dónde:
2
A = Área de la rejilla de tierra en m .
Para mallas sin varillas para tierra, o con
algunas varillas dentro del área de la malla.
nC  1
Para rejillas cuadradas y rectangulares.
nd  1
Para rejillas cuadradas, rectangulares o
en forma de L
Para la forma de nuestras rejillas
n = nanb
El factor de irregularidad Ki
Ki  0.644  0.148 * n
Para rejillas con varillas de tierra en las esquinas, así como a lo largo del perímetro y distribuidas en la rejilla, la
longitud efectiva del conductor Lm es:
(
(
(
)
))
Lr = Longitud de una sola varilla de tierra en metros.
Cálculo de la Tensión de Paso
La fórmula para calcular la tensión de paso es la siguiente:
Véase significado de siglas en las fórmulas de la tensión de malla, la adicional es la siguiente:
Ks = Factor geométrico.
Ki = Factor de corrección.
Para mallas con o sin varillas de tierra, la longitud efectiva Ls de conductores enterrados es:
Ls = 0.75 Lc+ 0.85 LR
Fórmula para calcular Ks:
Para profundidades usuales de rejillas entre 0.25 h 2.5 m, la constante Ks se obtiene como:
Ks 
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Rev
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
 1  0.5
  2 * h D  h D
1 1
1
1
n 2 


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15 de 39
Véase significado de siglas en las fórmulas de la tensión de malla.
Paso 9:
Si la tensión de malla calculada es menor que la tensión de contacto tolerable por el cuerpo humano, el diseño puede
darse por concluido. De no ser así el diseño tiene que ser revisado (véase paso 11).
Paso 10:
Si ambas, la tensión de paso y de malla calculadas con el diseño preliminar son menores que las tensiones de paso y
contacto tolerables por el cuerpo humano, el diseño necesita únicamente proporcionar la puesta a tierra de los
equipos.
Paso 11:
Si se exceden los límites de las tensiones de paso o de contacto, se requiere que el diseño del sistema de tierra se
revise. Estas revisiones pueden incluir el incrementar el área para el sistema de tierra, espaciamientos adicionales
más pequeños entre conductores y varillas para tierra.
Paso 12:
Después de satisfacer los requerimientos de las tensiones de paso y de malla, se pueden requerir conductores
adicionales de puesta a tierra para los equipos y algunas varillas para tierra. Los conductores adicionales a la rejilla se
requieren cuando el diseño de la malla no incluye conductores cercanos al equipo que debe ser aterrizado. Las
varillas para tierra adicionales pueden colocarse en la base de los apartarrayos, transformadores con neutro y otros
equipos principales, los cuales deben interconectarse a la malla de tierra. El diseño final debe revisarse con el
propósito de eliminar peligros debido a potenciales transferidos y otros peligros asociados.
5.3.3
Recomendaciones generales
Donde se suponga que en el terreno pueden existir problemas de corrosión en el material del sistema de tierra, se
deben realizar análisis físico-químicos del suelo a fin de tomar las medidas necesarias.
Todos los materiales a utilizar en el sistema de tierras, deben estar certificados.
Las uniones de los electrodos primarios (varillas de tierra) deben hacerse con rosca preferentemente mediante
soldadura exotérmica para unión cable - cable y conexiones a equipo, en caso de no ser posible y realizar conexiones
mecánicas o de compresión, y agregarse elementos inhibidores que eliminen la corrosión.
Durante la construcción del sistema de tierras, debe cuidarse que los moldes y cualquier material a utilizarse se
sujeten a las instrucciones de uso que el fabricante recomiende.
Debe tener una resistencia tal, que el sistema se considere sólidamente puesto a tierra.
La variación de la resistencia, debido a cambios ambientales, debe ser despreciable de manera que la corriente de
falla a tierra, en cualquier momento, sea capaz de producir el disparo de las protecciones.
Impedancia de onda de valor bajo para fácil paso de las descargas atmosféricas.
Debe conducir las corrientes de falla sin provocar gradientes de potencial peligrosos entre sus puntos vecinos.
Al pasar la corriente de falla durante el tiempo máximo establecido de falla, (es decir disparo de respaldo), no debe
haber calentamientos excesivos.
Debe ser resistente a la corrosión.
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6
CONDICIONES DE OPERACIÓN
6.1
Generalidades de la Construcción del Sistema de Tierras
6.1.1
Sistemas equipotenciales
La función de la unión equipotencial es reducir las diferencias de potencial generadas por una corriente de falla en el
sistema eléctrico o causado por una descarga atmosférica que incide sobre alguna estructura propia del sistema
eléctrico o en las cercanías de la instalación.
La diferencia de potencial puede producir la circulación de corrientes indeseables y la generación de arcos eléctricos
con el riesgo de fuego y explosión en áreas peligrosas o bien algún daño físico tanto a los seres vivos como al equipo.
6.2
Malla de Tierra de la Subestación
El objetivo de todos los sistemas de tierra es limitar el efecto de los gradientes de potencial de tierra producidos en
condiciones normales y condiciones de falla para no poner en peligro la seguridad de las personas o dañar la
infraestructura de la subestación.
Las funciones de la malla son las siguientes:
a)
Proveer un medio para disipar las corrientes eléctricas a tierra, sin que excedan los límites de
operación de los equipos.
b)
Proveer una conexión a tierra para el punto neutro de los equipos que así lo requieran
(transformadores, reactores, etc).
c)
Proveer un medio de descarga y desenergizar los equipos antes de proceder a tareas de
mantenimiento.
d)
Drenar corrientes de fuga o corrientes por descargas electrostáticas.
e)
Estabilizar el voltaje durante operaciones normales.
f)
Dar mayor confiabilidad, continuidad y confiabilidad al servicio eléctrico.
g)
Proveer un medio seguro para proteger al personal en la proximidad de sistemas y equipos
conectados a tierra de los peligros de una descarga eléctrica bajo condiciones de falla.
6.2.1
Disposición física
6.2.1.1
Subestaciones Abiertas
El cable que forme el perímetro exterior de la malla debe ser continuo de manera que encierre toda el área en que se
encuentra el equipo de la subestación, con ello se evitan altas concentraciones de corriente y gradientes de potencial
en el área y en las terminales cercanas.
La malla debe estar constituida por cables colocados paralela y perpendicularmente, con el espaciamiento requerido
conforme al cálculo de su resistencia eléctrica y de las tensiones de paso y contacto considerados en el diseño de la
red de tierra.
Los cables que forman la malla deben colocarse preferentemente a lo largo de las hileras de estructuras o equipos
para facilitar la conexión a tierra de los mismos.
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En cada cruce de conductores de la malla, éstos deben conectarse rígidamente mediante conectores (ver inciso 5.1.1)
y en donde proceda a varillas para tierra.
En subestaciones tipo pedestal, se requiere que el sistema de tierra quede confinado dentro del área que proyecta el
equipo sobre el suelo, para este caso se recomienda que las uniones que queden en esta área sean mediante
soldadura exotérmica debido a la poca accesibilidad que se tiene para dar mantenimiento.
6.2.1.2
Plantas Hidroeléctricas
En el caso de plantas hidroeléctricas, de la malla principal de la zona del desfogue, deben subir cables para
conectarse al cable que debe rodear cada piso de la casa de máquinas embebido en el concreto, empleando los
muros, dejando los registros correspondientes a lo largo y ancho de la casa de máquinas, para de estos sacar
derivaciones o conexiones a cada equipo. Las conexiones en los registros deben hacerse con conectores mecánicos.
Se hace de esta manera para evitar que los cables de tierra queden expuestos a la intemperie y los mismos puedan
reaccionar con el ambiente contaminado y a la vez protegerlos del vandalismo.
Las estructuras metálicas de la planta y delas subestaciones, así como las partes metálicas de y los equipos, deben
estar puestas a tierra conectadas a tierra para evitar accidentes por descargas eléctricas en casos de fallas.
Los diferentes niveles de la casa de máquinas deben contar con circuitos cerrados de cable conductor para
interconexión a equipos, sistemas o estructuras a tierra. Dichos circuitos deben conectarse directamente al sistema de
tierra principal e interconectarse entre sí y estar embebidos en el concreto.
En general la malla principal de la red de tierra debe estar a nivel del tubo de aspiración 0.50 m bajo el concreto, en
contacto directo con la roca.
Los parámetros físicos de la malla de tierra se basan en limitaciones tanto físicas como económicas presentes en la
instalación de la propia malla. Por ejemplo, una limitación física se encuentra en la excavación y relleno de las sepas
para enterrar el conductor, por lo que el espaciamiento de la malla de tierras debe de ser de 2 m en adelante, los
espaciamientos típicos van de 3 a 15 m.
No existe una fórmula para determinar el número óptimo de electrodos verticales (varillas de tierra), sin embargo, para
que las varillas de tierra tengan una disipación efectiva de corriente, éstas deben instalarse con una separación
mínima de 2 veces su longitud.
Como se mencionó, las fórmulas para el cálculo del sistema de tierra, contemplan profundidades que van de 0.3 a 0.8
m. Es importante enterrar la malla a la profundidad de la capa de menor resistividad y que al mismo tiempo se
encuentre dentro del intervalo antes mencionado, tomando en cuenta aspectos económicos relacionados con el
material, excavación y relleno. Las mediciones de resistividad del terreno deben considerar el procedimiento descrito
en el inciso 9.1.1.
En la NOM-022-STPS, se describe que los sistemas de tierra deben interconectarse (Malla general de tierra, cuarto
de control, sistema de pararrayos, torres de telecomunicaciones y de llegar a existir alguna otra)
Recomendaciones:
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a)
Al realizar el tendido de los conductores sobre el terreno, las líneas no se deben tensar ya que el
movimiento natural del terreno puede provocar la ruptura en una de ellas, debido al exceso de
tensión mecánica o debido a los esfuerzos mecánicos producidos por la intensidad de corriente
durante una falla a tierra.
b)
Las uniones entre conductores, así como las bajadas de puesta a tierra de los equipos, deben
realizarse preferentemente con soldadura exotérmica.
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6.3
c)
No realizar dobleces al conductor del sistema de puesta a tierra con ángulos de 90 °.
d)
Mantener la misma profundidad del sistema de tierra en todo el predio.
e)
No tender una línea de la malla de tierra por la cimentación de los equipos, en esta situación se
debe optar por rodear la cimentación a fin de permitir el fácil acceso al conductor para futuros
mantenimientos.
f)
Al instalar electrodos verticales, realizar barrenos con la herramienta adecuada para su correcta
instalación, por ningún motivo se deben meter los electrodos a golpes ya que pueden dañarse
debido al esfuerzo físico recibido tras dicha acción, así como perder su recubrimiento de cobre.
g)
Instalar registros de tierra para medición y revisión del sistema, los cuales deben de tener las
dimensiones adecuadas para poner maniobrar dentro de ellos.
Bajada de Puesta a Tierra para Equipos
Las bajadas de puesta a tierra deben de realizarse con el conductor previamente seleccionado y debe ser mediante
un tramo continuo con la trayectoria más corta desde la malla de tierra hasta el elemento a proteger, así mismo debe
cuidarse que los dobleces no fracturen el conductor ni tampoco se genere espacios entre los hilos del cable.
Recomendaciones:
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a)
Los equipos primarios deben tener dos bajadas de puesta a tierra, las cuales deben conectarse a
diferentes líneas principales.
b)
Para los pararrayos que cuenten con contador de eventos convencional, se debe de realizar una
bajada de puesta a tierra directa que vaya conectada desde la base del equipo hasta la malla de
tierra. Si la estructura del equipo es metálica, se debe de aterrizar tanto en la parte superior como
en la inferior de la misma, mediante una soldadura de paso, con la finalidad de que el equipo
quede aterrizado en caso de que sea robada su puesta a tierra.
c)
En los transformadores se recomienda aterrizar mediante soldadura exotérmica en por lo menos
dos puntos la carcasa, la puesta a tierra del neutro deben soldarse mediante soldadura exotérmica
en algún punto de la parte superior de la carcasa.
d)
La bajada de puesta a tierra debe ser instalada pegada a la estructura donde se encuentre
instalado el equipo.
e)
Fijar las bajadas de puesta a tierra a la estructura, por medio de abrazaderas, grapas, fleje o algún
otro medio.
f)
En caso de colocar conexiones mecánicas o ponchables se debe de limpiar el área de contacto
entre la bajada de puesta a tierra y la estructura, con la finalidad de tener un contacto directo entre
ambos elementos.
g)
Si la base de soporte del equipo es metálica, se debe soldar el conductor de puesta a tierra en la
parte superior e inferior de la base además del punto de conexión con la malla de tierra.
h)
Instalar conductor trenzado plano entre la base y el maneral del accionamiento de apertura y cierre
de cuchillas.
i)
Utilizar un químico sellador y retardador de corrosión entre la parte de contacto de la zapata de
puesta a tierra y el equipo a aterrizar.
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6.3.1
Protección contra vandalismo
El conductor de puesta a tierra de los equipos queda a expensas de ser robado al verse expuesto visualmente y
debido al valor del metal en el mercado, por lo cual se recomienda protegerlo de alguna de las siguientes formas:
a)
Uso de tubo conduit: Se coloca el conductor dentro del tubo tipo conduit de manera que el cable
quede resguardado y sin ser visible. Posteriormente el tubo conduit es sujetado a la estructura
donde se instaló.
b)
Uso de ángulo: Se coloca el ángulo metálico sobre el conductor de puesta a tierra, de manera que
el cable quede resguardado y sin ser visible. Posteriormente el ángulo se fija a la estructura
mediante soldadura eléctrica.
c)
Uso de concreto: Para ocultar el conductor se realiza una ranura un poco mayor al grosor del
cable en la base de concreto, posteriormente se coloca la bajada de puesta a tierra sobre la ranura
y se procede a resanar la base.
6.4
Sistema de Tierra del Cuarto de Control
6.4.1
Sistema de tierra externo
La caseta del cuarto de control y comunicaciones debe tener un anillo perimetral con varillas verticales en las
esquinas las cuales deben estar instaladas a la profundidad del estrato de menor resistividad y debe interconectarse a
la malla de tierra general en al menos dos puntos.
Se deben instalar, cuando menos un registro de tierra en las contra esquinas del anillo en el punto de alojamiento de
los electrodos para poder realizar mantenimientos y mediciones futuras.
Si la caseta cuenta con torre de telecomunicaciones, se debe implementar un sistema de tierra para la torre, al cual se
debe interconectar el conductor de bajada del pararrayos y este a su vez a la malla general en al menos dos puntos
mediante soldadura exotérmica.
Se recomienda soldar la bajante de tierra en la parte superior y en la parte inferior de la estructura metálica de la torre.
6.4.2
Sistema de tierra interno
Se debe diseñar un sistema de tierra interno en el cuarto de control y comunicaciones el cual debe contener una unión
equipotencial de forma radial, es decir las barras de tierra secundarias deben estar conectadas entre sí y sin formar
lazos cerrados a una barra de tierra principal la cual debe conectarse mediante un solo punto al sistema de tierra
externo del cuarto de control.
La barra de puesta a tierra de los gabinetes de equipos de control y protecciones así como de centros de carga debe
conectarse mediante un solo conductor continuo a la barra de tierra correspondiente (secundaria o principal) de forma
radial evitando la generación de lazos de corriente.
Cuando se tengan charolas, ducto cuadrado, o cualquier otra canalización metálica para el soporte de los conductores
se debe conectar a la barra de puesta a tierra.
La barra de tierra principal o secundaria, así como la barra de tierras de gabinetes y de centros de carga no debe
utilizarse como barra de neutros.
Se recomienda la instalación de dispositivos se supresión de transitorios de línea (TVSS).
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6.5
Sistema de Tierra de Pararrayos
La torre de telecomunicaciones debe contar con un sistema de tierra con un valor de resistencia menor a 10 Ω, el cual
debe interconectarse a la malla de tierra general en al menos dos puntos.
El conductor de bajada del pararrayos también debe conectarse al sistema de tierra de la torre. Se recomienda soldar
la bajante en la parte superior y en la parte inferior de la estructura metálica de la torre.
Se debe instala cuando menos un registro de tierra en el electrodo de descarga del sistema de protección contra
descargas atmosféricas.
6.6
Puesta a Tierra de Cercas Metálicas
Las cercas metálicas pueden ocupar una posición sobre la periferia del sistema de tierra. Debido a que los gradientes
de potencial son más altos, se deben tomar las siguientes medidas:
6.7
a)
Si la cerca se coloca dentro de la zona correspondiente a la malla, debe ser puesta a tierra,
recomendando que la cerca se instale al menos a un metro del límite exterior de la malla.
b)
Si la cerca se encuentra fuera de la zona correspondiente a la malla debe colocarse por lo menos a
2 m del límite de la malla de tierra.
Red de Tierras en Ampliación de Subestaciones
Para el caso de subestaciones donde la red de tierras existente no cubre la totalidad del terreno, sino únicamente una
parte del área total y además no se cuenta con información alguna. Para determinar la red de tierra se recomiendan
los siguientes pasos:
a)
Realizar mediciones de resistividad en áreas cercanas a la malla existente.
b)
Realizar mediciones en áreas ubicadas en sitios alejados de la malla existente, pero dentro del
terreno de la subestación.
c)
En caso de no ser posible el paso 2, realizar las mediciones en áreas exteriores pero colindantes
con la subestación.
d)
Hacer un análisis de resultados y seleccionar el valor de resistividad más alto, lo cual permite
determinar el tipo y forma de la malla más óptima a utilizar en la ampliación.
e)
Si el calibre de la red de tierras existente es superior al obtenido en el paso 4 debe utilizarse un
calibre 4/0 en la ampliación de la red de tierras.
f)
Se debe interconectar la malla de tierra nueva con la existente preferentemente siguiendo la
geometría de la nueva malla de tierra, en caso de no ser posible, interconectar en al menos dos
puntos la malla de tierra nueva con la existente.
6.8
Recepción y Puesta en Servicio del Sistema de Tierra
6.8.1
Criterios de aceptación.
Se establecen los criterios para la aceptación de un sistema de tierra el cual debe cumplir al menos con lo siguiente:
a)
151218
Rev
La topología de la malla de tierra debe estar instalada de acuerdo al diseño (disposición física,
calibre y separación de los conductores, profundidad de instalación, colocación de electrodos
verticales, etc.)
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b)
Los materiales utilizados deben tener las características que cumplan con las condiciones de
diseño, los cuales deben contar con certificados de aprobación por LAPEM.
c)
Valor de la resistencia de puesta a tierra debe ser de acuerdo a lo indicado en el capítulo 5, paso 5
de Valor de resistencia de malla calculado.
d)
Cumplir con las pruebas de la integridad física de la malla de tierra. (De acuerdo con los
procedimientos indicados en el capítulo 9).
Los sistemas de tierra existentes dentro del predio (general de la subestación, del cuarto de control
y comunicaciones, torres de telecomunicaciones, etc.) deben estar interconectadas entre sí en por
lo menos dos puntos.
e)
f)
Los conductores de puesta a tierra deber consistir de una sola punta soldada a la malla de tierra
por la trayectoria más corta hasta el elemento a proteger.
g)
Las conexiones de puesta a tierra deben ser saldables, en caso de instalarse conexiones
mecánicas o ponchables, estas deben contener algún sistema de protección anticorrosiva.
Una vez cumplidos los criterios de aceptación se debe proceder a realizar la puesta en servicio el sistema.
6.9
Mantenimiento del Sistema de Tierra
Se recomienda realizar el mantenimiento general al sistema de tierras una vez al año y debe considerar al menos lo
siguiente:
151218
a)
Actualizar o elaborar Plano general de planta
b)
Actualizar o elaborar el plano general del sistema de tierra.
c)
Actualizar o elaborar el plano del sistema de tierra del cuarto de control.
d)
Realizar mediciones de resistividad, dentro del área donde se encuentra instalada la malla de tierra
y fuera de esta zona.(De acuerdo con los procedimientos indicados en el capítulo 9)
e)
Realizar medición de resistencia al sistema general de tierra. (De acuerdo con los procedimientos
indicados en el capítulo 9)
f)
Realizar pruebas de integridad física de la malla de tierra. (De acuerdo con los procedimientos
indicados en el capítulo 9)
g)
Realizar pruebas de continuidad a la red general de tierra, sistema de tierra del cuarto de control,
sistema de tierra de la torre de telecomunicaciones, verificando la continuidad entre las mismas.
h)
Realizar inspección visual del estado físico de los conductores de puesta a tierra.
i)
Revisar el estado actual de conexión entre el conductor de puesta a tierra y el equipo eléctrico de
la subestación y cuarto de control.
j)
Realizar excavaciones en puntos de cruce o unión de la malla de tierra para verificar el estado
físico del conductor instalado y su conector correspondiente.
k)
Al realizar las excavaciones para zanjas, separar la capa superficial de la capa de tierra, con el fin
de no contaminar la capa menos resistiva.
Rev
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6.9.1
Acciones correctivas
Los segmentos de la malla que se encuentren seccionados o trozados debe ser reparados agregando un tramo de
conductor de las mismas características que el instalado originalmente, unido mediante soldadura exotérmica para
conservar la forma geométrica y topología de la red de tierras.
Las uniones de la red general mecánicas o ponchables que se encuentren con problemas de sulfatación o corrosión,
deben ser sustituidas por soldadura exotérmica.
Los conductores y componentes de puesta a tierra que no cumplan con lo establecido en la sección de puesta a tierra
de equipos deben ser sustituidos por un solo conductor desde el punto más cercano de la red de tierra unido mediante
soldadura exotérmica hasta el elemento a proteger.
Se deben limpiar las conexiones del conductor de puesta a tierra del equipo eléctrico primario agregando un químico
inhibidor a la corrosión a las partes en contacto.
En caso de no estarlo se deben interconectar todos los sistemas de tierra que se encuentren alojados dentro de un
mismo predio.
Verificar que el sistema de tierra cumpla con los criterios de aceptación y puesta en servicio.
7
CONDICIONES DE DESARROLLO SUSTENTABLE
No aplica.
8
CONDICIONES DE SEGURIDAD INDUSTRIAL
No aplica.
9
CONTROL DE CALIDAD
9.1
Métodos de Prueba y Equipos de Medición
9.1.1
Método de wenner o de los cuatro electrodos para la medición de resistividad del terreno ()
9.1.1.1
Generalidades
Las estimaciones basadas en la clasificación del suelo dan únicamente una aproximación de la resistividad. La prueba
de resistividad actual es obligada. Esta debe realizarse en un número de lugares dentro del sitio. Los lugares en
donde el suelo puede tener resistividad uniforme a través de área entera a una considerable profundidad, debe ser
raramente encontrado.
Generalmente, tienen varias capas, cada una con diferentes resistividades. La variación de resistividad lateral es
menor en comparación con la variación de la resistividad horizontal. Las pruebas de resistividad del suelo deben de
determinar alguna variación importante de la resistividad con respecto a la profundidad. Como regla el número de
lecturas realizadas deben de ser tan grandes como las variaciones sean tan grandes, especialmente si algunas de las
lecturas tomadas son tan altas que pueden ocasionar posiblemente problemas de seguridad.
Si la resistividad varía apreciablemente con la profundidad, es deseable el incremento en el intervalo de los
espaciamientos de prueba. La idea es que una estimación bastante exacta para grandes espaciamientos fijos pueda
ser determinada por extrapolación. Esto es posible porque, así como el espaciamiento de la prueba es incrementado,
la fuente de corriente de la prueba penetra más y más a áreas distantes, en las direcciones horizontal y vertical, a
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pesar de la cantidad de trayectorias de corriente que se distorsionan debido a las variaciones de las condiciones del
suelo.
La investigación en campo del lugar en que se va a ubicar el sistema de tierras, es esencial para determinar la
composición general del suelo y obtener algunas ideas básicas acerca de su homogeneidad. Las muestras de campo
para los estudios de Mecánica de Suelos son muy útiles, ya que proporcionan información sobre las diferentes capas
del subsuelo y los materiales que las componen, deben de dar una idea del intervalo de su resistividad.
El valor de la resistividad del suelo que se debe utilizar en el diseño de la red de tierras, generalmente se determina
con pruebas de campo.
Para efectuar la medición de resistividad del suelo es necesario hacer circular una corriente por el mismo, el método
más usual es el de Frank-Wenner denominado también método de los 4 electrodos, el equipo de medición utilizado es
el Megger de tierra.
El método de los 4 electrodos de Wenner, es la técnica más utilizada comúnmente. Consiste básicamente en 4
electrodos enterrados dentro de la tierra a lo largo de una línea recta, a igual distancia A de separación, enterradas a
una profundidad B. El voltaje entre los dos electrodos interiores de potencial es medido y dividido entre la corriente
que fluye a través de los otros dos electrodos externos para dar un valor de resistencia mutua R en ohms.
Existen 2 variaciones de este método:
a)
Electrodos igualmente espaciados o arreglo de Wenner.
Con este arreglo, los electrodos están igualmente espaciados como se muestra en la figura 3.
Donde:
A = Separación entre varillas adyacentes en m.
B = Profundidad de los electrodos en m.
C = Electrodo de corriente.
P = Electrodo de potencial.
Si la relación A/B es menor a 20 entonces se debe utilizar la siguiente fórmula para calcular la resistividad del terreno.
4AR

1
2A
A2  4 B 2

A
A2  B 2
Donde:
 = Resistividad en -m.
A = Separación entre electrodos adyacentes en m o bien en cm.
B = Profundidad de los electrodos en m o en cm.
R = Lectura del equipo de medición de resistencia Megger en .
Si “A” y “B” se miden en cm o en m y la resistencia R en Ohms, la resistividad debe estar dada en -cm o en -m
respectivamente.
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Si la longitud “B” es mucho menor que la longitud “A”, es decir cuando la relación A/B sea mayor o igual a 20, puede
suponerse B=0 y la fórmula se reduce a:
  2AR
Con estas fórmulas se obtiene la resistividad promedio del terreno, también conocida como resistividad aparente.
Las lecturas obtenidas en campo pueden graficarse en función de su espaciamiento indicándonos en donde existen
capas de diferente tipo de suelo con sus resistividades y profundidades respectivas.
b)
Electrodos no igualmente espaciados o arreglo de Schlumberger Palmer.
Una desventaja del método de Wenner es el decremento rápido en la magnitud de la tensión entre los 2 electrodos
interiores cuando su espaciamiento se incrementa a valores muy grandes. Para medir la resistividad con
espaciamientos muy grandes entre los electrodos de corriente, puede utilizarse el arreglo mostrado en la figura 4:
FIGURA 3 - Electrodos no igualmente espaciados o arreglo de Schlumberger Palmer
La corriente tiende a fluir cerca de la superficie para pequeños espaciamientos entre los electrodos, considerando que
la mayor parte de la corriente que penetra depende del espaciamiento entre los electrodos. Así se asume que la
resistividad medida para un espaciamiento entre electrodos “A” representa la resistividad aparente del suelo a una
profundidad “B”. La información de las mediciones de resistividad puede incluir datos de temperatura e información
sobre las condiciones de humedad del suelo en el tiempo en que se realizó la medición. Todos los datos válidos sobre
los conductores enterrados que ya se conocen o se suponen para el estudio del área, deben anotarse.
Los conductores desnudos enterrados que se encuentren en contacto con el suelo pueden invalidar lecturas
realizadas por el método descrito si están bastante juntos de manera que alteren la trayectoria del flujo de la corriente.
Por ésta razón, las mediciones de resistividad del suelo son de menor valor en un área en donde una malla de
conductores ya ha sido instalada, excepto, tal vez para mediciones poco profundas dentro o cerca del centro de una
gran malla rectangular. En tales casos una lectura poco aproximada debe ser tomada a corta distancia fuera de la
malla, con los electrodos en tal posición que minimicen el efecto de la malla sobre las trayectorias de flujo.
Sin embargo, no es necesario hacer dichas consideraciones dentro de la malla, tales anotaciones pueden ser
utilizadas por medio de una aproximación, especialmente si hay una razón para creer que el suelo en la totalidad del
área es razonablemente homogéneo.
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Rev
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ESPECIFICACIÓN
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Los electrodos de potencial se localizan lo más cerca de los correspondientes electrodos de corriente, esto incrementa
el potencial medido.
La fórmula empleada en éste caso se puede determinar fácilmente. Si la profundidad de los electrodos es pequeña
comparada con la separación “d” y “c", entonces la resistividad aparente puede calcularse como:

c(c  d ) R
d
Además, con valores grandes de d/L, las variaciones de los valores medidos debidas a irregularidades en la
superficie, se reducen dando mediciones más exactas.
Material y equipo
a)
Medidor de resistencia a tierra (óhmetro de tierra), con calibración vigente de acuerdo con la LFMN
(Ley Federal sobre Metrología y Normalización)
b)
Electrodos de prueba originales que vienen con el equipo medidor de resistencia a tierra,
generalmente fabricados en acero templado o acero inoxidable con diámetro de 0.475 cm a
0.635 cm y longitudes de 30 cm a 60 cm son adecuadas para la mayoría de las mediciones de
campo. Ambos materiales pueden requerir tratamientos térmicos para que sean lo suficientemente
rígidos para ser insertados en suelos secos o rocosos. Los electrodos deben de estar construidos
con una manija y una terminal para conectar el cable.
c)
Cable de cobre con aislamiento para 600 volts, de 0.8236-0.3259 mm . Las terminales deben de
tener buena calidad para asegurar una baja resistencia de puesta a tierra en los electrodos y el
equipo de medición. Cuando se realicen mediciones con espaciamientos fijos de electrodos puede
fabricarse un cable multiconductor con terminales permanentemente localizada en las distancias
requeridas.
d)
Marro para clavar los electrodos.
e)
Guantes de cuero.
2
Procedimiento de medición en campo
Se recomienda realizar las mediciones en la época de menor humedad anual.
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a)
Como primer paso se debe de dividir el terreno en cuadros de 10 por 10 m, cada cuadro va a
formar una sección, se deben de enumerar en un plano las secciones que resulten.
b)
Seleccionar aleatoriamente las secciones en donde se van a realizar las mediciones, de
preferencia la mayor parte de los cuadros seleccionados deben estar en la periferia del terreno.
c)
Trazar diagonales en cada sección que va a ser muestreada como se indica en la figura 5,
seleccionar una diagonal para que sobre esta se realicen las mediciones.
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FIGURA 4 – Medición en campo
d)
Partiendo del centro de la diagonal colocar las cuatro varillas en el suelo a una profundidad mínima
de 20 cm formando una línea recta entre ellas, evitando la existencia de huecos alrededor de las
varillas.
e)
Las terminales de corriente del instrumento C1 y C2 se conectan a las varillas de los extremos, y
las de potencial P1 y P2 a las varillas intermedias.
f)
Se energiza el instrumento (acorde a su instructivo) y se toman las lecturas respectivas de
resistencia en .
g)
Se calcula la resistividad mediante las fórmulas antes mencionadas. Antes de utilizar el
instrumento se debe de comprobar su ajuste con dos o tres resistencias de diferentes valores
conocidos. Se pueden aceptar diferencias entre el valor de la resistencia y el valor indicado por el
instrumento del orden del 10 %.
h)
Se traza una línea de prueba en diagonal al área bajo análisis, y comenzando al centro de la línea
se procede a variar la separación de las puntas de prueba a 0.5, 1, 2 y 3 metros como mínimo.
i)
Las lecturas obtenidas se reportan en el formato para la medición de resistividad, según tabla 3.
j)
Se trazan las gráficas  vs separación A para cada sección.
k)
El valor de la resistividad media del terreno debe ser el promedio del valor promedio de resistividad
obtenido en cada sección, si la resistividad promedio entre secciones no tiene una variación de
más del 30 %, en caso contrario se debe de realizar un promedio con los valores más alto y más
bajo de las resistividades promedio de las secciones.
9.1.2
Método de caída de potencial para medición de resistencia óhmica en un sistema de tierras
9.1.2.1
Generalidades
a)
Para realizar la medición de la resistencia de la malla de tierra se debe emplear el siguiente
método.
En caso de que el contratista proponga un método diferente, debe ser aprobado por CFE, lo cual
no debe deslindar al contratista de la responsabilidad de sus resultados de medición.
b)
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Las mediciones de resistencia tienen por objeto conocer el valor real de la resistencia de tierra
de la red y así determinar la elevación de potencial durante una falla a tierra.
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9.1.2.2
c)
Los sistemas de tierra como elementos de una subestación deben inspeccionarse y recibir
mantenimiento.
d)
Se recomienda que durante la vida operativa de las instalaciones se lleven a cabo mediciones
periódicas de resistencia de la malla de tierra, para comprobar que los valores del sistema de tierra
los valores de diseño y que se conservan las condiciones originales a través del tiempo.
e)
Las características de una conexión a tierra, varían con la composición y el estado físico del
terreno, así como de la extensión y configuración de la malla de tierras. El terreno puede estar
formado por combinaciones de materiales naturales de diferente resistividad, puede ser
homogéneo y en algunos casos estar formado por granito, arena o roca, materiales de alta
resistividad. Consecuentemente, las características de una conexión a tierra (resistencia óhmica)
varía con las estaciones del año, las cuales se producen por cambios en la temperatura, contenido
de humedad y composición del terreno. Debido a que el grado de humedad del terreno influye en
forma importante en el valor de su resistividad, las mediciones deben efectuarse dentro del periodo
del año de menor humedad, a efecto de considerar las condiciones menos favorables de
resistencia que se refleje en una medición confiable.
Material y equipo
a)
Medidor de resistencia a tierra (óhmetro de tierra), con calibración vigente de acuerdo con la LFMN
(Ley Federal sobre Metrología y Normalización)
b)
Electrodos de prueba originales que vienen con el equipo medidor de resistencia a tierra,
generalmente fabricados en acero templado o acero inoxidable con diámetro de 0.475 cm a
0.635 cm y longitudes de 30 cm a 60 cm. Ambos materiales pueden requerir tratamientos térmicos
para que sean lo suficientemente rígidos para ser insertados en suelos secos o rocosos.
Los electrodos deben de estar construidos con una manija y una terminal para conectar el cable.
9.1.2.3
2
c)
Cable de cobre con aislamiento para 600 V, calibre 0.8236 – 0.3259 mm . Las terminales deben de
tener buena calidad para asegurar una baja resistencia de contacto en los electrodos y el equipo
de medición. Cuando se realicen mediciones con espaciamientos fijos de electrodos puede
fabricarse un cable multiconductor con terminales permanentemente localizadas en las distancias
requeridas.
d)
Marro para clavar los electrodos.
e)
Guantes de cuero.
Procedimiento de medición en campo
El método que se utiliza es el de caída de potencial, este procedimiento involucra la utilización de dos electrodos
auxiliares: uno de potencial y otro de corriente. Consiste en hacer que circule una corriente de magnitud conocida
(I) a través de tierra o electrodo baja prueba (E) y un electrodo de corriente (C), y medir el efecto de esta corriente en
términos de la diferencia de potencial (P), la relación V / I debe dar el valor de resistencia.
Pasos para la medición:
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a)
Seleccionar la dirección en que se van a realizar las mediciones, evitando la influencia de líneas de
transmisión, es decir que la línea de acción sobre la cual vamos a realizar las mediciones no este
debajo de líneas de transmisión.
b)
Las dos terminales (P1 y C1) del aparato de prueba se puentean para conectarse directamente al
electrodo de la red de tierras que se pretende probar (este cable debe ser de longitud corta). La
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terminal de potencial (P2) se conecta al electrodo de potencial (P2) y la terminal de corriente (C2)
al electrodo de corriente (ver figura 6).
c)
Las varillas de prueba P2, C2 deben clavarse a una profundidad de 50 cm a 60 cm,
aproximadamente.
La distancia (d) del electrodo bajo prueba de la red de tierras al electrodo de potencial (P2) se va
variando 10 m y en cada punto se toma la lectura de resistencia (R de acuerdo con el criterio de la
persona que efectúa la prueba), considerando siempre obtenerlos valores (d, R) en los puntos
suficientes para poder trazar su curva adecuadamente.
d)
La distancia (L) a la que se debe clavar el electrodo de corriente C2 debe ser igual a 4 veces el
diámetro equivalente de la superficie de la malla de tierra (4D) y se calcula partiendo del círculo
equivalente de la superficie que cubre la red de tierra, generalmente la superficie es rectangular,
por lo que se tiene:
A malla = l x a
Dónde:
A malla = Superficie malla de tierra.
l = Largo de la malla.
a = Ancho de la malla.
El área o superficie de un círculo es:
Ac 
 D
2
4
Dónde:
Ac = Área o superficie del círculo.
D = Diámetro del círculo.
Igualando: A malla = Ac
Se obtiene:
l a 
 D
4
De donde:
D2
Dónde:
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l a

2
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D = Diámetro equivalente de la superficie que cubre la red de tierras de aquí se obtiene: L = 4 D.
e)
Se energiza el instrumento (acorde a su instructivo) y se toman las lecturas respectivas de
resistencia en ohms.
f)
En la última medición se cortocircuita la varilla de potencial con la varilla bajo prueba, el valor
obtenido en ohms se resta al valor real de la resistencia.
Se debe realizar esta medición en época de estiaje.
9.1.2.4
Interpretación de resultados
Los valores obtenidos de resistencia se grafican contra la distancia, como se muestra en la figura 7. En esta curva, la
parte plana u horizontal, nos indica la resistencia real (Rt) de la red de tierras que se ha probado (por experiencia, la
resistencia óhmica real obtenida mediante este método, se aproxima al 62 % de la distancia total L).
El valor obtenido se checa contra el valor en ohms de la red de tierra que debe tener la planta o subestación.
Es importante antes de realizar la medición de la malla de tierra, realizar un barrido dentro de la planta o subestación
para verificar que haya continuidad y no se encuentre fracturada la malla o red.
9.1.3
Método de integridad física de la red de tierra.
9.1.3.1
Generalidades
Para garantizar un camino de baja impedancia para drenar las corrientes de falla, periódicamente, todos los
elementos y conexiones del sistema de tierra deben ser inspeccionados y los que están enterrados bajo la superficie
de la tierra deben someterse a prueba.
La prueba de integridad física consiste en la inyección gradual de corriente alterna a los conductores de puesta a
tierra de los equipos eléctricos verificando si la corriente es drenada de forma eficiente hacia la malla de tierra.
Esta prueba nos permite conocer la caída de tensión que existe entre el equipo eléctrico y la malla de tierra, por lo
indirectamente nos permite obtener el valor de resistencia entre estos puntos.
Se recomienda que la prueba no dure más de 3 min pues la inyección de corriente de manera continua podría dañar
algún elemento del equipo bajo prueba.
En una buena conexión la caída de tensión deseada debe ser de aproximadamente 1.5 Volts por cada 15 m de
distancia en línea recta de la red de tierra al punto de prueba. Este valor de tensión se obtiene restando la caída de
tensión en los conductores de prueba a la caída de tensión registrada durante la prueba.
En subestaciones de potencia muy grandes (es decir, las grandes redes de tierra), por lo menos la mitad de la
corriente de prueba debe volver a la fuente a través de la rejilla de tierra y la conexión bajo prueba. Si la corriente es
menor de la mitad (independientemente de que se cumpla con el criterio de la caída de 1.5 Volts), indica una mala
conexión a tierra.
9.1.3.2
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Material y equipo
a)
Equipo reóstato de inyección de corriente alterna variable con capacidad de hasta 300 amperes en
forma continua y accesorios.
b)
c)
Fuente de energía de al menos 10.5 kVA.
Dos o más amperímetros de gancho
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9.1.3.3
d)
Un multímetro
e)
Cepillo de alambre
f)
Radio de comunicación
Procedimiento de la prueba.
a)
Establecer un punto de referencia en la red de tierra, para conectar el neutro del transformador.
b)
Desde el equipo de prueba de alta-corriente, conecte las pinzas del conductor de prueba a la red
de tierra de referencia y el segundo conductor a la estructura o equipo de prueba por encima de la
conexión a tierra, pero por debajo de cualquier vinculación o conexión a las partes vivas como se
muestra en el diagrama siguiente.
FIGURA 5 – Conexión de Puesta a Tierra (ilustrativa)
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c)
Encienda el equipo de prueba y de manera gradual inyecte la corriente a través de la red de tierra
de referencia y entre el objeto de prueba en incrementos de 20 A hasta 300 A, anotando la caída
de tensión en cada incremento.
d)
Usar amperímetros de gancho para medir durante la prueba la corriente que circula hacia la tierra
de referencia por debajo de la conexión de prueba (es decir, en la red y en la puesta a tierra de los
equipos aledaños) y la corriente que fluye por encima (es decir, en el equipo, estructura, gabinete,
etc.). En el instante en que más del 30 % de la corriente inyectada fluya hacia el equipo o circule
por la puesta a tierra de algún equipo aledaño, registre los valores de caída de tensión y corriente
del equipo de prueba y regrese a la posición original el variac, asegurándose que la corriente
circulante es de 0 amperes, apague el equipo de prueba. Desconecte los conductores de prueba.
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e)
Realizar los registros de las lecturas de caída de potencial y de las corrientes medidas en el
inciso d.
f)
Después de que la prueba ha finalizado, regrese el variac a la posición de 0 A, apague el equipo
de prueba y desconecte los conductores de prueba.
10
BIBLIOGRAFÍA
[1]
NOM-001-SEDE-2012
Instalaciones Eléctricas (Utilización).
[2]
NMX-J-549-ANCE-2005
Sistema de Protección Contra Tormentas Eléctricas–
Especificaciones, Materiales y Métodos de Medición
[3]
IEEE Std. 80-2013
(Guide for Safety in AC Substation Grounding)
[4]
IEEE Std. 81-2012
(Guide for Measuring Earth Resistivity, Ground Impedance, and
Earth Surface Potentials of a Ground System)
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TABLA 1 - Constantes de Materiales
Descripción
Cobre recocido suave –
inmersión
Cobre comercial inmersión –
dura
Cobre revestido alambre de
acero
Cable revestido alambre de
acero
Cable revestido barra de acero
Aluminio grado EC
Aluminio aleación 5005
Aluminio aleación 6201
Aluminio revestido alambre de
acero
Acero 1020
Acero revestido barra de acero
Zinc bañado barra de acero
Acero inoxidable 304
Conductividad
del material
(%)
Factor 
a 20 °C
Ks al 0 °C
(0 °C)
Temperatura
de fusión
Tm
(°C)
r 20 °C
( cm)
Factor de
capacidad
térmica por
unidad de
volumen
(d) TCAP
3
J/(cm °C)
100.0
0.00393
234
1083
1.72
3.42
97.0
0.00381
242
1084
1.78
3.42
40.0
0.00378
245
1084
4.40
3.85
30.0
0.00378
245
1084
5.86
3.85
20.0
61.0
53.5
52.5
0.00378
0.00403
0.00353
0.00347
245
228
263
268
1084
657
652
654
8.62
2.86
3.22
3.28
3.85
2.56
2.60
2.60
20.3
0.00360
258
657
8.48
3.58
10.8
9.8
8.6
2.4
0.00160
0.00160
0.00320
0.00130
605
605
293
749
1510
1400
419
1400
15.90
17.50
20.10
72.00
3.28
4.44
3.93
4.03
TABLA 2 - Valores Típicos de Factor de Decremento Df
Segundos
0.00833
0.05
0.10
0.20
0.30
0.40
0.50
0.75
1.00
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Ciclos A 60 Hz
0.5
3
6
12
18
24
30
45
60
X/R = 10
1.576
1.232
1.125
1.064
1.043
1.033
1.026
1.018
1.013
X/R = 20
1.648
1.378
1.232
1.125
1.085
1.064
1.052
1.035
1.026
X/R = 30
1.675
1.462
1.316
1.181
1.125
1.095
1.077
1.052
1.039
X/R = 40
1.688
1.515
1.378
1.232
1.163
1.125
1.101
1.068
1.052
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TABLA 3 – Formato para la Medición de la Resistividad
SECCIÓN
Enterrado de las
probetas en metros
(B)
Separación entre
electrodos en
metros (A)
0.5
1
2
3
4
…
…
Valor de
resistencia
medido
Relación
A/B
Resistividad
calculada en
ohms-metro
Promedio
Proyecto:
Número de Secciones:
Área las secciones:
Fecha:
Hora:
Responsable:
Equipo utilizado:
Temperatura ambiente:
Humedad Relativa %:
NOTA: Cuando las variaciones en los valores de resistividad no sean mayores del 30 % se debe realizar un promedio de todas las
mediciones, sin embargo, cuando exista una variación significativa entre los valores, se promediaran el valor más alto y el más
bajo para obtener una valor de resistividad de esa sección.
TABLA 4 - Resultados de la Medición de la Resistencia de la Malla de Tierras
Medición
número
Resistencia
Medida en ohms
Distancia de la
medición en
metros (d)
10
20
30
..
Fecha:
Hora:
Lugar:
Equipo Utilizado:
Temperatura:
Humedad relativa %:
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FIGURA 6 - Medición de Resistencia de Tierra, Método de Caída de Potencial
FIGURA 7 - Curva de Resultados
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APÉNDICE A
(Normativo)
PROPUESTA PARA INCLUIR EL SISTEMA DE TIERRAS EN SUBESTACIONES EN SF6
Las Subestaciones en SF6 están sujetas a la misma magnitud de las corrientes de falla y requiere también de valores
bajos de impedancia de tierra como en las subestaciones convencionales.
La condición de que la subestación SF6 requiere de 10 a 25 % menos del terreno para el equipo que en una
subestación convencional y debido a esta pequeña área, puede resultar difícil obtener el sistema de tierras adecuado
únicamente mediante métodos convencionales. Debe ponerse atención particular a los puentes que unen las
envolventes metálicas en el ensamble de la subestación SF6, los cuales conducen corrientes inducidas de
magnitudes significativas, las cuales deben confinarse a trayectorias específicas. A este respecto para aterrizarlas
requieren seguirse estrictamente las recomendaciones del fabricante
A.1
Aterrizamiento de las Envolventes
Las envolventes del tipo continuo proporcionan un camino de retorno a las corrientes inducidas de tal forma que el
conductor y la envolvente forman un par concéntrico con blindaje externo efectivo de los campos en el interior de la
envolvente.
Con frecuencia los puentes y el aterrizamiento de la envolvente es la mejor solución para minimizar los riesgos de las
tensiones de paso y de contacto dentro del área de la SF6.
Medidas adicionales incluyen el uso de plataformas conductoras (plataformas de tierra) a las que se aterrizan las
estructuras de la subestación SF6.
Para limitar los efectos indeseables causados por la circulación de corrientes, deben observarse los siguientes
requerimientos:
A.2
a)
Todas las envolventes metálicas normalmente deben operar al nivel de tensión de tierra.
b)
Cuando se aterriza en varios y específicos puntos, el diseño del bus de la envolvente debe
asegurar que no existan diferencias de tensión significativas entre las secciones individuales de la
envolvente y que ni la estructura de soporte ni ninguna parte de los sistemas esté adversamente
influenciado por el flujo de corrientes inducidas.
c)
Para evitar la circulación de corrientes en la envolvente por fuera de las trayectorias regulares de
retorno dentro del ensamble de la SF6. Deben colocarse cables con cubierta para conexión al
sistema de tierra a través de conexiones que debe estar separadas de las envolventes desde la
SF6. Para facilitar este aislamiento, el diseño de las terminales del cable debe estar provisto de
aislamientos en aire o un aislamiento apropiado. Los transitorios muy rápidos generados por la
maniobra o por fallas en la SF6 pueden ocasionar flameo en estos aislamientos. En tales casos
deben considerarse las consecuencias en la distribución de corriente de estos flameos dentro del
sistema de tierras.
d)
Cualquier número puede permitirse que las corrientes de retorno de la envolvente fluyan a través
de montaje en el transformador de corriente.
Cooperación entre Fabricante y Usuario de Subestaciones en SF6
Usualmente es el fabricante de subestaciones en SF6 quién define con claridad de que consta el bus principal de
tierra y especificar que requiere del usuario para conectar el ensamble de la SF6 al sistema de tierras de la
subestación. Se requiere de una mayor información para asegurar que ninguna de las conexiones propuestas desde
el bus principal de tierra hacia la rejilla de tierras interfiera con la trayectoria requerida para la corriente de la
envolvente o con alguna otra característica operacional del diseño de la SF6.
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Éste puede resultar especialmente pertinente si el bus principal de tierra consiste de un sistema de interconexiones
entre las componentes de la SF6 y las estructuras y no se requiere suministrar ningún bus por separado (anillo
continuo), común del bus de tierras.
A.3
El fabricante de Subestaciones en SF6 Proporciona y es Responsable de:
a)
Proporcionar puentes (enlaces) subensamble-subensamble a fin de que se aseguren gradientes de
tensión seguros en todas las partes del ensamble de la SF6 intencionalmente aterrizadas y entre
esas partes y el bus principal de tierra.
b)
Fabricar conectores accesibles de suficiente rigidez mecánica para soportar las fuerzas
electromecánicas, los abusos normales y que además sean capaces de conducir la anticipada
corriente máxima de falla en alguna parte del circuito sin sobrecalentarse.
c)
Proporcionar lugares y conectores de tierra o ambos permitiendo al menos dos caminos a tierra ya
sea desde el bus principal de tierra o desde cada envolvente metálica y las piezas del equipo
auxiliar de la SF6 destinado a conectarse a la tierra de la subestación si el bus principal de
conexión a tierra del ensamble de la subestación no existe en el momento.
d)
Recomendar procedimientos apropiados para hacer las conexiones entre metales no similares,
típicamente entre un cable de cobre o un conductor similar de tierra y las envolventes de aluminio.
El usuario normalmente debe proporcionar información sobre las fuentes de corriente de falla, las magnitudes
esperadas y los tiempos de duración que se deben considerar. Aún más el usuario debe asistir al fabricante de
subestaciones en SF6 para revisar todas las provisiones del autorizamiento propuestas para asegurar una interface
apropiada de:
A.4
a)
Las conexiones para las corrientes al neutro de los equipos o aparatos y para disipar los disturbios
causados en el interior de la SF6 debidos a descarga atmosférica o maniobra.
b)
Dispositivos para disipar disturbios de corriente externos, debidos a descargas atmosféricas o
maniobra en el ensamble de la SF6.
c)
Requerimientos de relés de protección y satisfacer las previsiones necesarias en los dispositivos
telefónicos y de comunicación.
d)
Conexiones a tierra de todos los marcos y estructuras de soporte de la SF6, cubiertas (forros)
metálicos y la instalación del blindaje para terminales del cable donde resulte aplicable.
e)
Conexiones de todos los aditamentos o conectores manufacturados por el fabricante de SF6.
f)
Tensiones de paso y de contacto seguras, bajo condiciones de operación normal externos al
ensamble de la SF6.
g)
Cumplimiento con las especificaciones de tierras, las cuales tienden a corregir prácticas de
aterrizamiento cuando existen discrepancias entre el fabricante y el usuario.
Recomendaciones Generales
Deben tomarse precauciones para prevenir corrientes excesivas que se induce en marcos y estructuras para evitar la
formación de circuitos indeseables con otros equipos de la subestación. Por lo que el esquema de aterrizamiento y el
arreglo físico de la subestación debe revisarse cuidadosamente con el fabricante de subestaciones en SF6.
En la proximidad de discontinuidades, debe tenerse cuidado con las trayectorias a tierra de la envolvente como son
entre las conexiones del transformador y la SF6, así como en los puntos de interface con los dispositivos de
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SISTEMA DE TIERRA PARA PLANTAS Y SUBESTACIONES ELÉCTRICAS
ESPECIFICACIÓN
CFE 01J00-01
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desconexión convencionales a fin de prevenir corrientes circulantes en el interruptor y en el tanque de acero del
transformador.
El criterio para la tensión de contacto de la subestación SF6 es:
Et2 + (Etomax) Econtacto
Dónde:
Et2 = Es la tensión máxima de contacto como se determinó para el punto bajo los pies de una persona.
Etomax = Es el valor máximo (predominantemente inductivo) de la tensión metal-metal diferenciando sobre y entre las
envolventes de la SF6 o entre esas envolventes y las estructuras de soporte incluyendo cualquier elemento
horizontal o vertical para el cual está diseñada la SF6.
Definiciones como:
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a)
Envolvente continúa
b)
Corriente de la envolvente
c)
Subestación aislada en gas
d)
Bus principal de tierra
e)
Envolvente no-continua
f)
Tensión transitoria de la envolvente
g)
Transitorios muy rápidos
h)
Sobretensiones transitorias muy rápidas
i)
Se deben incluir en el presente documento.
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APENDICE B
(Informativo)
FLUJOGRAMA DEL PROCEDIMIENTO DE DISEÑO
Figura B1- Flujograma del Procedimiento de Diseño
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